Фізика. Повторне видання. 9 клас. Бар’яхтар

§ 11. Відбивання світла. Закони відбивання світла. Плоске дзеркало

Більшість об'єктів, що вас оточують: будинки, дерева, ваші однокласники тощо, — не є джерелами світла. Проте ви їх бачите. Відповідь на запитання «Чому так?» ви знайдете в цьому параграфі.

1. З'ясовуємо, чому ми бачимо тіла, які не є джерелами світла

Ви вже знаєте, що в однорідному прозорому середовищі світло поширюється прямолінійно. А що відбувається, якщо на шляху пучка світла є якесь тіло? Частина світла може пройти крізь тіло, якщо це тіло прозоре, частина поглинеться, а частина обов’язково відіб’ється від тіла. Деякі відбиті промені потраплять у наші очі, і ми побачимо це тіло (рис. 11.1).

Рис. 11.1. У разі відсутності джерела світла неможливо нічого побачити. Якщо ж джерело світла є, ми бачимо не тільки саме джерело, а й предмети, які відбивають світло, що йде від джерела

2. Установлюємо закони відбивання світла

Для встановлення законів відбивання світла скористаємося оптичною шайбою*. У центрі шайби перпендикулярно до її поверхні закріпимо дзеркало та спрямуємо на нього вузький пучок світла так, щоб він давав на поверхні шайби світлу смужку. Бачимо, що пучок світла, відбитий від дзеркала, також дає світлу смужку на поверхні шайби (див. рис. 11.2).

* Оптична шайба — це білий диск, на якому нанесено поділки; на краю диска встановлено освітлювач.

Напрямок пучка світла, який падає, задамо променем CO (рис. 11.2). Цей промінь називають падаючим променем. Напрямок відбитого пучка світла задамо променем ОК. Цей промінь називають відбитим променем.

Рис. 11.2. Установлення законів відбивання світла за допомогою оптичної шайби: α — кут падіння; β — кут відбивання

Із точки О падіння променя проведемо перпендикуляр ОВ до поверхні дзеркала. Звернемо увагу на те, що падаючий промінь, відбитий промінь і перпендикуляр лежать в одній площині, — в площині поверхні шайби.

Кут α між падаючим променем і перпендикуляром, проведеним із точки падіння, називають кутом падіння; кут β між відбитим променем і даним перпендикуляром називають кутом відбивання.

Вимірявши кути α і β, можна переконатися, що вони є рівними.

Якщо пересувати джерело світла краєм диска, кут падіння світлового пучка змінюватиметься і відповідно змінюватиметься кут відбивання, причому щоразу кут падіння і кут відбивання світла будуть рівними (рис. 11.3). Отже, ми встановили закони відбивання світла:

1. Промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні відбивання, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині.

2. Кут відбивання дорівнює куту падіння: β = α.

Рис. 11.3. Зі зміною кута падіння світла змінюється й кут відбивання. Кут відбивання щоразу дорівнює куту падіння

Закони відбивання світла установив давньогрецький вчений Евклід ще в III ст. до н. е.

• У якому напрямку слід повернути дзеркало професору, щоб «сонячний зайчик» потрапив на хлопчика (рис. 11.4)?

Рис. 11.4. До завдання в § 11

За допомогою дзеркала на оптичній шайбі можна продемонструвати також оборотність світлових променів: якщо падаючий промінь спрямувати шляхом відбитого, то відбитий промінь піде шляхом падаючого (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Демонстрація оборотності світлових променів: відбитий промінь іде шляхом падаючого променя

3. Вивчаємо зображення в плоскому дзеркалі

Розглянемо, як утворюється зображення в плоскому дзеркалі (рис. 11.6). Нехай із точкового джерела світла S на поверхню плоского дзеркала падає розбіжний пучок світла. Із цього пучка виділимо промені SA, SB і SC. Користуючись законами відбивання світла, побудуємо відбиті промені АА₁, ВВ₁ і СС₁ (рис. 11.7, а). Ці промені підуть розбіжним пучком. Якщо продовжити їх у протилежному напрямку (за дзеркало), усі вони перетнуться в одній точці — S₁, яка розташована за дзеркалом.

Рис. 11.6. Кожного разу, підходячи до дзеркала, ми бачимо в ньому свого «двійника». Звісно, ніякого «двійника» там немає, — ми бачимо в дзеркалі своє відображення

Якщо частина відбитих від дзеркала променів потрапить у ваше око, вам здаватиметься, що відбиті промені виходять із точки S_1, хоча в дійсності ніякого джерела світла в точці S₁ не існує. Тому точку S₁ називають уявним зображенням точки S. Плоске дзеркало завжди дає уявне зображення.

З’ясуємо, як розташовані предмет і його зображення відносно дзеркала. Для цього звернемося до геометрії. Розглянемо, наприклад, промінь SC, який падає на дзеркало та відбивається від нього (рис. 11.7, б).

Рис. 11.7. Отримання зображення точкового джерела світла в плоскому дзеркалі: S — джерело світла; S₁ — уявне зображення джерела світла

Із рисунка бачимо, що △SOC = △S₁OC — це прямокутні трикутники, які мають спільну сторону CO і рівні гострі кути (оскільки за законом відбивання світла α = β). З рівності трикутників маємо, що SO = S₁O, тобто точка S і її зображення S₁ є симетричними відносно поверхні плоского дзеркала.

Те саме можна сказати й про зображення протяжного предмета: предмет і його зображення симетричні відносно поверхні плоского дзеркала.

Отже, ми встановили такі загальні характеристики зображень у плоских дзеркалах.

1. Плоске дзеркало дає уявне зображення предмета.

2. Зображення предмета в плоскому дзеркалі та власне предмет є симетричними відносно поверхні дзеркала, і це означає:

• 1) зображення предмета дорівнює за розміром самому предмету;
• 2) зображення предмета розташоване на тій самій відстані від поверхні дзеркала, що й предмет;
• 3) відрізок, який сполучає точку на предметі з відповідною їй точкою на зображенні, є перпендикулярним до поверхні дзеркала.

4*. Розрізняємо дзеркальне і розсіяне відбивання світла

Увечері, коли в кімнаті горить світло, ми можемо бачити своє зображення у віконному склі. Але зображення зникає, якщо зсунути штори: дивлячись на тканину, ми свого зображення не побачимо.

А чому в тканині не можна побачити своє зображення? Відповідь на це запитання пов’язана щонайменше з двома фізичними явищами.

Перше таке фізичне явище — відбивання світла. Щоб з’явилося зображення, світло має відбитися від поверхні дзеркально: після дзеркального відбиття світла, що надходить від точкового джерела S, продовження відбитих променів перетнуться в одній точці S₁, яка й буде зображенням точки S (рис. 11.8, а). Таке відбивання можливе тільки від дуже гладеньких поверхонь. Їх так і називають — дзеркальні поверхні. Крім звичайного дзеркала прикладами дзеркальних поверхонь є скло, поліровані меблі, спокійна поверхня води тощо (рис. 11.8, б, в).

Рис. 11.8. Дзеркальне відбивання світла — це відбивання світла від гладенької поверхні

Якщо світло відбивається від шорсткої поверхні, то таке відбивання називають розсіяним (дифузним) (рис. 11.9). У цьому випадку відбиті промені поширюються в різних напрямках (саме тому ми бачимо освітлений предмет із будь-якого боку). Зрозуміло, що поверхонь, які розсіюють світло, набагато більше, ніж дзеркальних.

Рис. 11.9. Розсіяне (дифузне) відбивання світла — це відбивання світла від шорсткої поверхні

• Погляньте навколо та назвіть щонайменше десять поверхонь, які відбивають світло розсіяно.

Друге фізичне явище, яке впливає на можливість бачити зображення, — це поглинання світла. Адже світло не тільки відбивається від фізичних тіл, але й поглинається ними. Найкращі відбивачі світла — дзеркала: вони можуть відбивати до 95 % падаючого світла. Добрими відбивачами світла є тіла білого кольору, а от чорна поверхня поглинає практично все світло, що падає на неї.

• Коли восени випадає сніг, ночі стають набагато світлішими. Чому?

5. Учимося розв'язувати задачі

Задача. На рис. 1 схематично зображено предмет ВС і дзеркало ΝΜ. Знайдіть графічно ділянку, з якої зображення предмета ВС видно повністю.

Рис. 1

Аналіз фізичної проблеми. Щоб бачити зображення певної точки предмета в дзеркалі, необхідно, щоб в око спостерігача відбилася хоча б частина променів, які падають із цієї точки на дзеркало. Зрозуміло: якщо в око відіб’ються промені, які виходять із крайніх точок предмета, то в око відіб’ються й промені, які виходять з усіх точок предмета.

Розв’язання, аналіз результатів

1. Побудуємо точку В₁, яка є зображенням точки В у плоскому дзеркалі (рис. 2, а). Область, обмежена поверхнею дзеркала та променями, відбитими від крайніх точок дзеркала, і буде тією областю, з якої видно зображення B₁ точки В у дзеркалі.

2. Аналогічно побудувавши зображення С₁ точки С, визначимо область її бачення у дзеркалі (рис. 2, б).

3. Бачити зображення всього предмета спостерігач може тільки в тому випадку, якщо в його око потрапляють промені, які дають обидва зображення — B₁ і С₁ (рис. 2, в). Отже, ділянка, показана на рис. 2, в оранжевим, і є тією ділянкою, із якої зображення предмета видно повністю.

Рис. 2

• Проаналізуйте отриманий результат, ще раз розгляньте рис. 2 до задачі та запропонуйте простіший спосіб знайти область бачення предмета в плоскому дзеркалі. Перевірте свої припущення, побудувавши області бачення кількох предметів у два способи.

Підбиваємо підсумки

Усі видимі тіла відбивають світло. Під час відбивання світла виконуються два закони відбивання світла: 1) промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні відбивання, проведений із точки падіння променя, лежать в одній площині; 2) кут відбивання дорівнює куту падіння.

Зображення предмета в плоскому дзеркалі є уявним, дорівнює за розміром самому предмету та розташоване на такій самій відстані від дзеркала, що й предмет.

* Розрізняють дзеркальне й розсіяне відбивання світла. У випадку дзеркального відбивання ми можемо бачити уявне зображення предмета у відбиваючій поверхні; у випадку розсіяного відбивання зображення не існує.

Контрольні запитання

1. Чому ми бачимо тіла навколо нас? 2. Який кут називають кутом падіння? кутом відбивання? 3. Сформулюйте закони відбивання світла. 4. За допомогою якого приладу можна переконатись у справдженні законів відбивання світла? 5. У чому полягає властивість оборотності світлових променів? 6. У якому випадку зображення називають уявним? 7. Схарактеризуйте зображення предмета в плоскому дзеркалі. 8*. Чим розсіяне відбивання світла відрізняється від дзеркального?

Вправа № 11

1. Дівчинка стоїть на відстані 1,5 м від плоского дзеркала. На якій відстані від дівчинки розташоване її відображення? Схарактеризуйте його.

2. Водій автомобіля, глянувши в дзеркало заднього огляду, побачив у ньому пасажира, який сидить на задньому сидінні. Чи може пасажир у цей момент, дивлячись у те саме дзеркало, побачити водія?

3. Перенесіть рис. 1 до зошита, для кожного випадку побудуйте падаючий (або відбитий) промінь. Позначте кути падіння й відбивання.

Рис. 1

4. Кут між падаючим і відбитим променями становить 80°. Чому дорівнює кут падіння променя?

5. Предмет був розташований на відстані 30 см від плоского дзеркала. Потім предмет пересунули на 10 см від дзеркала в напрямку, перпендикулярному до поверхні дзеркала, і на 15 см — паралельно їй. Якою була відстань між предметом і його відображенням? якою вона стала?

6. Ви прямуєте до дзеркальної вітрини зі швидкістю 4 км/год. Із якою швидкістю наближається до вас ваше відображення? На скільки скоротиться відстань між вами і вашим відображенням, коли ви пройдете 2 м?

7. Сонячний промінь відбивається від поверхні озера. Кут між падаючим променем і горизонтом удвічі більший, ніж кут між падаючим і відбитим променями. Чому дорівнює кут падіння променя?

8. Дівчинка дивиться у дзеркало, що висить на стіні під невеликим кутом (рис. 2).

Рис. 2

• 1) Побудуйте зображення дівчинки у дзеркалі.
• 2) Знайдіть графічно, яку частину свого тіла бачить дівчинка; область, із якої дівчинку видно повністю.
• 3) Які спостерігатимуться зміни, якщо дзеркало поступово затуляти непрозорим екраном?

9. Уночі у світлі фар автомобіля калюжа на асфальті здається водієві або водійці темною плямою на світлішому тлі дороги. Чому?

10. На рис. 3 зображено хід променів у перископі — пристрої, дія якого ґрунтується на прямолінійному поширенні світла. Поясніть, як працює цей пристрій. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, де його застосовують.

Рис. 3